植物的防禦機制與調控

當植物受到生物性或非生物性逆境時，會啟動一系列的防禦反 應，使植物能夠去抵抗不良環境的影響，以達到生存的目的。這些防 禦機制透過許多訊號分子的調控，如細胞壁受傷所釋放的寡醣類誘導 子 (elicitor)、活氧化物 (reactive oxygen species, ROS)、NO 與植物荷爾 蒙等。其中茉莉酸 (jasmonic acid, JA) 為植物荷爾蒙之一，最早是由 Lasiodiplodia theobromae 的培養液中被分離出來 (Aldridge et al.,

1971)。JA 的合成是起始於 linolenic acid 受到脂氧化酶 (lipoxygenase, LOX) 氧化而形成 13-hydroperoxy linolenic acid ;再經由 allene oxide synthase (AOS) 與 allene oxide cyclase (AOC) 的作用生成 12-oxo-10, 15-phytodienoic acid。進一步透過 phytodienoic acid reductase 的作用，

還原成 12-oxo-phytoenoic acid，最後進行三次β-氧化的程序，即合成 JA (Wasternack et al., 1998)。若再經過酯化的步驟就形成具揮發性的甲 基酯茉莉酸 (methyl jasmonate, MeJA)。

當植物受傷、受到昆蟲的攻擊及病原菌的感染或存在乾旱及滲透 逆境時，都會迅速誘導內生性的 JA 合成，因此 JA 扮演訊號傳遞分 子的角色，進而參與防禦機制的調控 (Gao et al., 2004)。Wasternack 等 人 (1998) 指出大麥葉片添加 JA、MeJA 或以滲透逆境處理，皆會誘 導內生性 JA 合成，進而誘導大量蛋白質的合成，而這些 JA 誘導的 蛋白質與逆境的保護、植物防禦、植物抗菌素 (phytoalexin) 的合成及 強化細胞壁有關 (Wasternack et al., 1998)。Gao 等人(2004) 探討乾旱 逆境，外加 50 μM JA 不僅使洋梨 (Pyrus bretschneideri Rehd.) 葉片中

的內生性 JA 增加約 20 倍，且誘導 betaine aldehyde dehydrogenase 活 性表現，使甜菜鹼 (betaine) 的累積增加約 150%，進而維持細胞與環 境的滲透平衡。Creelman 等人 (1997) 也指出 JA 會正向調控合成植 物抗菌素的相關基因。綜合上述得知當植物受到逆境時，JA 在防禦機 制的調控扮演重要的角色。

除了 JA，另一個荷爾蒙─水楊酸 (salicylic acid, SA) 同樣可以誘 導另一條訊息傳遞途徑，引起不同方式的防禦機制。當植物受到病原 菌感染時，會促進內生性 SA 的生成，此時 SA 會引起感染區域進行 局部的細胞程序式死亡，即過敏反應 (hypersensitive response, HR)，避 免感染的部位持續蔓延 (Shirasu et al., 1997)。Ryals 等人 (1996) 指 出，SA 亦會引起系統抗病性 (systemic acquired resistance, SAR) 的免 疫反應作用，透過活化 pathogenesis-related (PR)基因的表現，生合成 PR 蛋白參與抗菌的作用，以有效地抵抗病原菌的攻擊。

Thomma 等人 (2001) 與 Rojo 等人 (2003) 指出，當阿拉伯芥遭 受不同的病原菌感染時，會啟動不同的荷爾蒙參與防禦訊息途徑，例 如在遭受 necrotrophic pathogens 的攻擊時，包括 Botrytis cinerea 及 Erwinia carotovora 會誘導 JA 的參與; 然而當植物受到 biotrophic

pathogens 的感染，如 Erysiphe orontii、Peronospora parasitica 或 Pseudomonas syringae 便會引起 SA 訊息傳遞途徑的啟動。而許多文 獻亦提出，SA 與 JA 這兩種防禦性荷爾蒙會產生相互拮抗的作用，

即 SA 會抑制 JA 合成與訊息的傳遞 (Dong, 1998)。當野生型的阿拉 伯芥受到病原菌感染時，會誘導 SA 的堆積; 然而阿拉伯芥抑制 SA

訊息調控的 NPR1 突變株，在受到病原菌感染時，會促進 JA 的累 積，其含量約高於野生型的25倍。不僅如此，在 NPR1 突變株中，亦 會誘導 JA 合成途徑的關鍵酵素 LOX 與調控抗菌作用有關的

PDF1.2 基因表現 (Spoel et al., 2003)。由此得知，內生性的 SA 會抑

制 JA 的訊息傳遞與含量的累積。

在植物受到環境的逆境或遭受病原菌的感染，亦會誘導大量 ROS 的生成，包括過氧化氫 (hydrogen peroxide, H₂O₂)與超氧化陰離子 (superoxide anion, O₂^-)，其中 H₂O₂ 是近年來被認為在防禦機制中扮演 重要訊息傳遞分子的角色 (Orozco-Cárdenas et al., 2001)。植株受傷或 過量的光照、低溫、乾旱及高鹽等逆境皆會誘導大量 H₂O₂ 的生成 (Dat et al., 2000 ; Verma et al., 2004 )。Orozco-Cárdenas 等人 (2001)發現在 受傷的葉片添加 NADPH oxidase 的抑制劑–diphenylene iodonium (DPI)，抑制 H₂O₂ 的生成後，降低許多參與防禦反應的基因表現，如 蛋白酶抑制劑 (proteinase inhibitors)及 polyphenol oxidase。然而若在葉 片添加 glucose oxidase 與 glucose (G/GO) 誘導 H₂O₂ 的生成後，便 會提昇蛋白酶抑制劑的基因表現。除此之外，藉由 systemin、

oligosaccharides 及 MeJA 誘導防禦基因的表現同樣也會受到 DPI 的 抑制。因此得知，當植物受到傷害時，H₂O₂ 為一種訊號分子會活化防 禦基因的表現。Alvarez 等人 (1998) 指出 H₂O₂ 亦會參與細胞過敏反 應造成局部的細胞死亡，且會誘導鄰近細胞防禦基因的表現。然而這 些逆境誘導活氧化物大量生成的同時，植物便會啟動抗氧化防禦機 制，誘導抗氧化酵素表現，如 superoxide dismutase (SOD), catalase

(CAT), peroxidase (POD), ascorbate peroxidase (APX) 和 glutathione reductase (GR)及抗氧化相關化合物，如維他命C (ascorbic acid, ASC)與 glutathione (GSH) 的合成，以清除過多 ROS 的生成，避免造成植物 的傷害 (Verma et al., 2004)。

NO 是一種可以迅速穿越生物膜的氣相自由基。雖然 NO 在生物 組織的半衰期僅有6 秒，然而卻是生物體重要的訊息傳遞物質

(Bethke et al., 2004)。Zhao 等人 (2004)分別自生長在高鹽沙地與溼地 沼澤的蘆葦誘導出兩種不同生長型態的癒創組織 (callus)，發現由高鹽 沙地誘導的癒創組織中含高鉀離子和低鈉離子的濃度，而細胞膜上的 H⁺-ATPase 和一氧化氮合成酶 (NO synthase, NOS)的表現量皆顯著地 高於由溼地誘導的癒創組織。因此推論 NO 會誘導 H⁺-ATPase 的表 現，進而排除高鹽細胞中多餘的鈉離子 (Zhao et al., 2004)。相較於野 生型，NOS 表現受損及內生性 NO 含量較低的阿拉伯芥突變

株–Atnoa1，在鹽逆境下其嫩葉中含有高量鈉離子與低量的鉀離子且

H₂O₂ 含量較高; 而種子萌芽時對 NaCl 較為敏感，導致萌芽速率及存 活比例低於野生型。因此推測阿拉伯芥遭受鹽逆境時，會誘導內生性 NO 生成，進而提高對鹽的耐受性 (Zhao et al., 2007)。乾旱逆境處理 的小麥切離葉片或幼苗，外加 sodium nitroprusside (SNP)– NO 的提供 者，則水份含量皆明顯高於未加 SNP 的控制組 (Mata et al., 2001)。將 NO 外加於不同植物的葉片，包括單子葉的 Tradescantia sp 及雙子葉 的 Salpichroa organifolia 與蠶豆 fava bean (Vicia faba)，與控制組比較 NO 分別促進 35%、30% 與 65% 的氣孔關閉，因此得知 NO 會提昇

植物在乾旱逆境的耐受度 (Mata et al., 2001)。

然而當植物遭受到某些逆境時，亦會引起植物荷爾蒙 (JA 或 SA)、NO及 H₂O₂ 共同參與防禦機制的調控。在紫杉細胞懸浮培養時，

給予低能量的超音波會引起氧化逆境，且快速誘導 O₂^- 和 H₂O₂ 的生 成，不僅促進細胞內 JA 的含量大量增加，且 JA合成途徑的相關酵 素，如 LOX 和 AOS 活性表現也會上升 (Wu and Ge, 2004)。在蕃茄 的葉子添加 JA 會誘導 H₂O₂ 的生成，進而誘導蛋白酶抑制劑Ⅰ (proteinase inhibitor)的累積 (Orozco-Cárdenas, 2001)。由於蛋白酶抑制 劑Ⅰ會抑制昆蟲腸道蛋白酶的作用 (Orozco-Cárdenas, 2001)，因此 JA 也參與植物的抗蟲機制途徑。葉片受到病原菌的感染時，會造成其感 染部位 SA 的濃度增高，而 SA 可能會抑制 CAT 及其它氧化還原酶 的活性 (Ryals et al., 1996)。當 CAT 的表現受到抑制會延長 H₂O₂ 的 半衰期，造成強大的猛爆性氧化 (oxidative burst)作用，進而於感染部 位引起許多防禦反應的進行，例如引發細胞進行程序性的死亡，防禦 基因的表現，甚至誘導鄰近細胞 SA 的合成 (Ryals et al., 1996)。另外 也有文獻指出 NO 會抑制 CAT 與 APX，造成 H₂O₂ 含量的增加 (Clark et al., 2000；Crawford and Guo, 2005)。

近年來亦發現當植物遭受逆境時，NO 與 H₂O₂ 也會相互調控防 禦反應的作用。例如 NO 與 H₂O₂ 都參與大豆 (Delledonne et al., 1998) 與阿拉伯芥 (Clarke et al., 2000) 的細菌性誘導程序性細胞死 亡。Delledonne 等人 (1998)以 P. syringae pv. 感染大豆懸浮細胞會促 進 H₂O₂ 生成進而誘導過敏反應造成細胞程序性的死亡; 但若加入

NO 合成酶的抑制劑– N^ω-nitro-L-arginine 與 NO清除劑–

2-4-carboxyphenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide 後細胞 死亡的現象會受到抑制。單純地外加 glucose (0.5 mM)/glucose oxidase (0.5 Uml^-1)及 SA 誘導 H₂O₂ 含量提升，或加入 NO donor 並利用 DPI 與 catalase 減少 H₂O₂ 的含量，都只會引起少量細胞死亡; 唯有同時 給予 NO donor 與 ROS 存在時才會顯著地誘導大豆進行過敏反應，

因此得知當細菌感染植物引起氧化逆境時，會與 NO 共同抵抗疾病的 傷害 (Delledonne et al., 1998)。然而 NO 亦可能扮演負調控的角色，

例如 Orozco-Cárdenas 等人 (2002) 指出，當蕃茄葉片受傷時，不僅不 會誘導 NO 的含量提升，且若加入 SNP 則會明顯抑制由葉片受傷、

systemin、oligosaccharides 及 MeJA 促進 H₂O₂ 的生成及誘導防禦基 因的表現。Jih 等人 (2003) 利用甘藷的傷害誘導基因 ipomoelin (IPO) 作為分子標記，此基因在甘藷葉受傷或外加 glucose/glucose oxidase 誘 導 H₂O₂ 含量增加時皆會大量表現，但隨著 NADPH oxidase 抑制劑 的添加而下降; 倘若加入 SNP 則會限制 H₂O₂ 的生成與延遲 IPO 基 因的表現。因此甘藷受傷時可能藉由 NADPH oxidase 促進 H₂O₂ 的累 積，而且同時透過 NO 抑制 H₂O₂ 的生成與作用 (Jih et al., 2003)。因 此綜合上述，不論正調控或負調控， NO 與 H₂O₂ 似乎是植物細胞遭 受生物性或非生物性逆境的重要訊息傳遞媒介，且兩者之間相互 cross-talk 的複雜程度很難明確地說明僅有利用其中一項作為訊息媒 介。